一种串联型自治分数阶电路电场耦合无线电能传输系统技术方案

本发明专利技术公开了一种串联型自治分数阶电路电场耦合无线电能传输系统，包括分数阶发射电路、分数阶串联型接收电路和耦合电容金属极板，分数阶发射电路和分数阶串联型接收电路通过并联的两个耦合电容金属极板相连；分数阶发射电路包括串联连接的阶数大于1的原边分数阶电感和阶数小于或等于1的原边分数阶电容；分数阶串联型接收电路包括串联连接的阶数小于或等于1的副边分数阶电感、阶数小于或等于1的副边分数阶电容和负载。本发明专利技术结构简单可靠，无需高频电压源，系统效率和传输功率可以自动适应电场耦合系数和谐振频率的变化，有利于更大功率、更远距离的无线电能传输，尤其适用于大功率负载的应用场合。

A series autonomous fractional circuit electric field coupled radio energy transmission system

【技术实现步骤摘要】
一种串联型自治分数阶电路电场耦合无线电能传输系统
本专利技术涉及空间电场耦合无线电能传输的
，尤其是指一种串联型自治分数阶电路电场耦合无线电能传输系统。
技术介绍
根据电能传输实现机理和方式的不同，无线电能传输技术大致上可分为感应耦合式无线电能传输技术、磁谐振耦合式无线电能传输技术、微波式无线电能传输技术和电场耦合式无线电能传输技术。其中，感应耦合式、磁谐振耦合式和电场耦合式无线电能传输技术研究最为广泛。电场耦合无线电能传输技术作为目前研究最广泛的无线电能传输技术之一，相比较感应耦合无线电能传输技术而言，电场耦合无线电能传输技术可以实现同样等级的传输距离、输出功率和传输效率，但其能量传输形式是交互电场，能量的传输是将金属障碍物作为耦合极板的一部分来传输能量，而不被其所阻断，且电场基本被限制在耦合极板之间而存在，电磁干扰被大大减少。相对于磁谐振耦合无线电能传输技术而言，电场耦合机构简易轻薄，成本低，形状易变，且在工作状态中，电场耦合机构的绝大部分电通量都分布在耦合极板之间，对周围环境的电磁干扰很小，此外，在电场耦合机构之间或周围存在金属障碍物时，导体上不产生涡流损耗。目前，传统的空间电场耦合无线电能传输系统根据电感和电容的连接方式不同可分为串联-串联型、串联-并联型、并联-串联型和并联-并联型，其中接收电路采用串联连接适用于大功率负载的应用场合，如电动汽车等，而接收电路采用并联连接则适用于小功率负载的应用场合，如手机等消费电子产品，不同的连接方式均具有重大的研究意义和实际应用价值。传统的接收电路串联型的空间电场耦合无线电能传输系统的传输效率受传输距离的影响较大，通常传输效率随着距离的增大而大大降低，系统有效传输电能的区间很短，不利于系统的实际应用。而且，受环境温度、负载、周边金属物体或电磁环境等的影响，电场耦合无线电能传输系统中谐振器的谐振频率极易发生偏移，且谐振频率的轻微偏移都会导致电能无法完全传输，因此，传统方法不能适应系统受外界环境或内部因素干扰导致谐振频率和传输距离偏移的情况，传输效率和输出功率不能保持稳定。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种串联型自治分数阶电路电场耦合无线电能传输系统，利用阶数大于1的原边分数阶电感与阶数小于或等于1的分数阶电容和分数阶串联型接收电路构成自治系统，使阶数大于1的原边分数阶电感不仅为电路提供能量，同时其工作频率和感值在阶数固定时可以自动跟随系统参数变化，不需要任何其它调节，以实现系统传输效率和输出功率的双恒定，解决了传统电场耦合无线电能传输系统在谐振频率发生轻微偏移和电场耦合系数变化时，造成的效率迅速下降或输出功率不稳定的固有瓶颈问题。且负载电阻越小，输出功率和传输效率恒定运行的距离越远，有利于更大功率、更远距离的实现，极大地拓宽了无线电能传输在电动汽车等大功率领域的应用前景。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：一种串联型自治分数阶电路电场耦合无线电能传输系统，包括分数阶发射电路、分数阶串联型接收电路和耦合电容金属极板，所述分数阶发射电路和分数阶串联型接收电路通过并联的两个耦合电容金属极板相连，进而通过电场耦合方式实现无线电能传输；所述分数阶发射电路包括串联连接的阶数大于1的原边分数阶电感和阶数小于或等于1的原边分数阶电容，所述原边分数阶电感具有负电阻的性质，为电路提供能量，且其工作频率和感值在阶数固定时能够自动跟随系统参数变化，使系统的传输效率和输出功率对系统参数变化具有强鲁棒性，恒定不变；所述原边分数阶电感的视在功率恒定，并且具有两种工作模式：一是分数阶电感的阶数恒定，工作频率和感值自动跟随系统参数变化以保持分数阶电感自身稳定工作，二是工作频率固定，阶数和感值自动跟随系统参数变化以保持分数阶电感自身稳定工作；所述分数阶串联型接收电路包括串联连接的阶数小于或等于1的副边分数阶电感、阶数小于或等于1的副边分数阶电容和负载，其电流增益恒定不变，其输出功率和传输效率恒定不变的耦合区间取决于负载电阻，负载电阻越小，临界耦合距离就越远，有利于实现更大功率负载的远距离无线供电。进一步，所述原边分数阶电感和副边分数阶电感的电压、电流微分关系满足：相位关系满足：其中，iL为分数阶电感的电流，uL为分数阶电感的电压，β为分数阶电感的阶数，Lβ为分数阶电感的感值，为分数阶电感的相位，并且原边分数阶电感的阶数1<β<2，副边分数阶电感的阶数0<β≤1。进一步，所述原边分数阶电容和副边分数阶电容的电压、电流微分关系满足：相位关系满足：其中，iC为分数阶电容的电流，uC为分数阶电容的电压，α为分数阶电容的阶数，并且0<α≤1，Cα为分数阶电容的容值，为分数阶电容的相位。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：1、本系统结构简单，无需高频电压源。2、本系统效率和传输功率对传输距离的变化不敏感。3、本系统效率和传输功率可以自动适应电场耦合系数和谐振频率的变化。4、负载电阻越小，输出功率和系统效率恒定运行的区间越大。5、有利于更大功率、更远距离的无线电能传输，尤其适用于大功率负载的应用场合，拓宽了无线电能传输技术在电动汽车等大功率领域的应用前景。附图说明图1为实施方式中提供的具体系统结构示意图。图2为实施方式中提供的具体系统的等效电路原理图。具体实施方式为进一步阐述本专利技术的内容和特点，以下结合附图对本专利技术的具体实施方案进行具体说明，但本专利技术的实施和保护不限于此。如图1和图2所示，本实施例所提供的串联型自治分数阶电路电场耦合无线电能传输系统，包括分数阶发射电路、分数阶串联型接收电路和耦合电容金属极板，所述分数阶发射电路和分数阶串联型接收电路通过并联的两个耦合电容金属极板Cc1、Cc2相连，进而通过电场耦合方式实现无线电能传输；所述分数阶发射电路包括串联连接的阶数大于1的原边分数阶电感Lβ1和阶数小于或等于1的原边分数阶电容Cα1，所述原边分数阶电感Lβ1具有负电阻的性质，为电路提供能量，且其工作频率和感值在阶数固定时能够自动跟随系统参数变化，使系统的传输效率和输出功率对系统参数变化具有强鲁棒性，恒定不变；所述原边分数阶电感Lβ1具有视在功率恒定的特点，并且具有两种工作模式：一是分数阶电感的阶数恒定，工作频率和感值自动跟随系统参数变化以保持分数阶电感自身稳定工作，二是工作频率固定，阶数和感值自动跟随系统参数变化以保持分数阶电感自身稳定工作；所述分数阶串联型接收电路包括串联连接的阶数小于或等于1的副边分数阶电感Lβ2、阶数小于或等于1的副边分数阶电容Cα2和负载RL。本实施例上述系统的工作原理为：利用阶数大于1的原边分数阶电感Lβ1与阶数小于或等于1的分数阶电容Cα1和分数阶串联型接收电路构成自治系统，使原边分数阶电感Lβ1的参数可以自动跟随系统参数变化，以实现系统传输效率和功率的恒定；原边分数阶电感Lβ1为电路提供能量，同时，原边分数阶电感Lβ1优先工作在阶数固定的模式，此时原边分数阶电感本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种串联型自治分数阶电路电场耦合无线电能传输系统，其特征在于：包括分数阶发射电路、分数阶串联型接收电路和耦合电容金属极板，所述分数阶发射电路和分数阶串联型接收电路通过并联的两个耦合电容金属极板(C

【技术特征摘要】
1.一种串联型自治分数阶电路电场耦合无线电能传输系统，其特征在于：包括分数阶发射电路、分数阶串联型接收电路和耦合电容金属极板，所述分数阶发射电路和分数阶串联型接收电路通过并联的两个耦合电容金属极板(Cc1、Cc2)相连，进而通过电场耦合方式实现无线电能传输；所述分数阶发射电路包括串联连接的阶数大于1的原边分数阶电感(Lβ1)和阶数小于或等于1的原边分数阶电容(Cα1)，所述原边分数阶电感(Lβ1)具有负电阻的性质，为电路提供能量，且其工作频率和感值在阶数固定时能够自动跟随系统参数变化，使系统的传输效率和输出功率对系统参数变化具有强鲁棒性，恒定不变；所述原边分数阶电感(Lβ1)的视在功率恒定，并且具有两种工作模式：一是分数阶电感的阶数恒定，工作频率和感值自动跟随系统参数变化以保持分数阶电感自身稳定工作，二是工作频率固定，阶数和感值自动跟随系统参数变化以保持分数阶电感自身稳定工作；所述分数阶串联型接收电路包括串联连接的阶数小于或等于1的副边分数阶电感(Lβ2)、阶数小于或等于1的副边分数阶电容(Cα2)和负载(RL...

【专利技术属性】
技术研发人员：张波，疏许健，江彦伟，魏芝浩，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44